Расширительный бак

 

Для того, чтобы системы отопления и водоснабжения в доме работали исправно, в их схемы включен расширительный бак. Мембранные баки обеспечивают стабильное давление в системе отопления и водоснабжения частного дома. Они поддерживают запас воды, необходимый для постоянного давления в трубах, напора воды и оптимальной работы насосного оборудования. Вот о том, какими бывают мембранные баки и как они подключаются, мы и поговорим в этой статье.

 

Мембранные баки можно разделить на две группы: расширительные, применяемые в системах отопления и горячего водоснабжения, и гидроаккумуляторы, использующиеся в системах холодного водоснабжения.

 

Как я уже сказал выше, правильный подбор, монтаж и эксплуатация мембранных баков обеспечит безопасную работу и сведет к минимуму вероятность возникновения аварийных ситуаций в системах загородного дома.

 

Расширительный бак для отопления

 

Основной задачей расширительного бака в системе отопления загородного дома, является компенсация увеличения объема воды вследствие ее температурного расширения.

 

Так при температуре воды 0 °С ее плотность ρ₀ = 0,9998 кг/дм³, а при 100 °С плотность воды составит ρ₁₀₀ = 0,9583 кг/дм³. Так как удельный объем v обратно пропорционален плотности (v = 1/ρ), то колебание объема воды в системе составит:

 

Δv = v₁₀₀ – v₀=1/ρ₁₀₀ – 1/ρ₀ = 1/0,983 – 1/0,9998 = 1,0435 – 1,0002 = 0,0433

 

Из приведенного расчета следует, что при нагреве воды от 0 до 100 °С вода увеличит свой объем по сравнению с первоначальным на 4,33 %.

 

Если в системе отопления отсутствует емкость, куда могут поступать излишки теплоносителя, даже незначительное увеличение температуры приведет к возрастанию давления, которое может превысить предельно допустимую величину для элементов гидравлической системы.

 

Изменение давления при температурном расширении без учета деформации элементов системы можно рассчитать по формуле:

 

Δp = β_t · Δt / β_v,

 

где:

β_t  – коэффициент температурного расширения воды, 1/°С;

Δt – изменение температуры воды, °С;

β_v – коэффициент объемного сжатия воды, 1/Па. Расчеты показывают, что в жесткой замкнутой системе, изменение давления составляет порядка 3 бар /°С.     

 

Если учесть деформацию труб, то результаты получатся следующие:

• В случае стальных и медных трубопроводах – в среднем 2,2 бара/°С:
• В случае полимерных и металлополимерных трубопроводах – в среднем 1,2 бара/°С.

 

Как работает расширительный бак

 

В состав расширительного бака входит диафрагма, которая разделяет его на две части. В одной находится азот, находящийся под начальным избыточным давлением, в другую поступают излишки теплоносителя из системы отопления.

 

Вначале весь объем расширительного бака полностью занят азотом. При нагреве объем теплоносителя увеличивается, что приводит к сжатию азота. Далее давление азотной подушки увеличивается и выравнивается с давлением в системе отопления на данном статическом уровне. После того как температура теплоносителя и, соответственно, его объем уменьшатся, давление азотной подушки возвращает теплоноситель обратно в систему, не давая давлению в системе снизиться ниже настроенного уровня.

 

Внутренняя поверхность корпуса расширительного бака в условиях эксплуатации иногда является зоной возможного выпадения конденсата. Поэтому при наличии в газовой подушке кислорода неизбежно начнется интенсивная коррозия металла корпуса бака. Только поэтому производителями и закачивается в бак азот, а не атмосферный воздух, содержащий водяные пары и кислород. Многие пользователи делают ошибку, подкачивая в газовую полость воздух, тем самым своими руками сокращая срок службы мембранного бака.

 

Подключение расширительного бака к системе отопления

 

Давление в точке подключения мембранного бака к системе всегда равно статическому давлению в данной точке при данных температурных параметрах. Доказать это высказывание очень просто.

 

Так, например, если допустить, что давление в точке подключения бака изменяется, то придется признать, что объем теплоносителя в баке тоже изменился. А этого быть не может, так как взяться лишнему теплоносителю в замкнутой системе неоткуда, да и бесследно исчезнуть он тоже никак не мог. При этом стоит отметить, что это правило распространяется только на систему отопления с одним расширительным баком.

 

От места расположения мембранного бака зависят параметры работы и всех остальных элементов системы отопления, а также требуемое начальное давление в расширительном баке и сам объем бака.

 

Выбирая место присоединения расширительного бака стоит помнить, что чем выше давление в системе отопления, тем меньше вероятность ее завоздушивания.

 

Так если расширительный бак присоединить непосредственно после циркуляционного насоса, то необходимо проверить, чтобы перед насосом сохранялся антикавитационный запас по давлению.

 

Ниже приведены несколько вариантов присоединения расширительного бака к системе отопления со следующими высотными параметрами:

• Превышение верхней точки системы над нижней (H) – 10 м;
• Теплогенератор и предохранительный клапан расположены на 2 м выше нижней точки системы (h₁);
• Расширительный бак помещен на 1 м выше точки его подключения к системе (h₂);
• Статическое давление на уровне нижней точки системы – 15 метров водяного столба.

 

Варианты подключения расширительного бака к системе отопления

 

 

 

 

На рисунках выше обозначены расчетные значения рабочего давления в характерных точках каждой системы (в м вод. ст).

 

Значение настройки предохранительного клапана принято 33 м. вод. ст., напор насоса – 6 м. вод. ст., емкость системы – 200 л. Разница максимальной и минимальной температур теплоносителя – 80 ^оС.

 

В таблице ниже приведены расчетные характеристики мембранных баков для схем с их разным подключением.

 

Расчетные данные по системам

 

 

В случае установки мембранного бака в гравитационной системе отопления на верхней магистрали, его необходимо сместить от главного стояка в сторону отопительных стояков и таким образом исключить паразитное влияние на циркуляцию остывающего в баке теплоносителя. При этом главный стояк надо оснастить воздухоотводчиком и предохранительным клапаном (рис. f).

 

В этом случае теплоноситель должен поступать в расширительный бак сверху. Тогда будет отсутствовать вероятность попадания воздуха в жидкостный отсек бака.

 

В том случае, если это требование выполнить невозможно, рекомендуется соблюдать следующие правила:

• Точка подпитки должна находиться как можно ближе к точке подключения бака;
• При заполнении системы теплоносителем не допускается использование для выпуска воздуха автоматических воздухоотводчиков (они должны быть закрыты). Выпуск воздуха из системы должно осуществляться через предусмотренные для этого штуцеры с кранами (рис. 2а) или комбинированные краны с дренажом и ручным воздухоотводчиком (рис. 2б);
• По возможности следует использовать мембранные баки, имеющие верхний патрубок для присоединения воздухоотводчика к жидкостной полости.

 

Подбор мембранного расширительного бака

 

Для того, чтобы система отопления работала исправно, достаточный объем расширительного бака рекомендуется определять по формуле:

 

V_б = C · β_t / (1 – P^a_min / P^a_max), (1)

 

где:

C – общий объем теплоносителя в системе отопления, в литрах. Включает в себя объем воды в трубах, котле, радиаторах и других элементах системы. Этот показатель подсчитывается по фактической емкости каждого элемента системы;

P^a_min – начальное (настроенное) абсолютное давление в расширительном баке, в барах;

P^a_max – максимальное абсолютное давление, возможное в расширительном баке, в барах.

 

С определенной погрешностью значение объема теплоносителя в системе можно выбирать из таблицы ниже. При расчетах на стадии технико-экономического обоснования допускается принимать удельную емкость системы отопления 15 л/кВт.

 

Ориентировочный объем теплоносителя в системе

 

 

Значения коэффициента температурного расширения теплоносителя β_t, соответствующие максимальной разнице температур воды в неработающей и работающей системе, рекомендуется принимать из таблицы ниже.

 

Значение коэффициента температурного расширения теплоносителей β_t

 

 

Настроечное абсолютное давление вычисляется по формуле:

 

P^a_min = P^a₀ + P^ст_max – 0,1· (H_Б + h₂ + 1), (2)

 

где:

P^a₀ – атмосферное давление, в барах;

P^ст_max – статическое давление на уровне нижней точки системы, в барах;

Н_Б – превышение точки врезки бака над нижней точкой системы, в метрах;

h₂ – превышение центра бака над точкой врезки, в метрах. При расположении бака ниже точки врезки h₂ подставляется со знаком «минус».

Абсолютное максимальное давление, возможное в расширительном баке:

 

P^a_max = P^a₀ + P_ПК + P^ст_Б  – P^ст_ПК – 0,1· h₂,  (3)

 

где:

P_ПК – давление настройки предохранительного клапана, в барах;

P^ст_Б – статическое давление на уровне установки предохранительного клапана, в барах;

P^ст_ПК – статическое давление на уровне врезки в систему мембранного бака, в барах.

 

Из формулы 1 следует, что оптимальный выбор объема расширительного бака напрямую связан с правильной настройкой предохранительного клапана. Как правило он настраивается на давление, превышающее допустимое для самого уязвимого элемента системы на 10 %, с учетом разности высот клапана и защищаемого элемента. Поэтому для систем отопления рекомендуется применять клапаны с возможностью регулировки давления настройки. Также, клапан должен иметь устройство принудительного открывания для проверки его работоспособности. 

 

Установка расширительного бака недостаточного объема или некорректный его монтаж могут стать причиной неправильной работы системы отопления и даже выхода ее из строя.

 

Настроенное давление в расширительном баке не должно быть ниже гидростатического давления на уровне центра бака более, чем на 1 метр водяного столба (0,1 бара). В противном случае уже на стадии заполнения системы полезный объем бака частично заполнится теплоносителем, поэтому при последующем нагреве и расширении теплоносителя будет использоваться меньший объем, чем это необходимо. Если сказать по-другому, то если в баке настроенное (заводское) давление равно 1,5 бара, то заполнять систему нужно до давления на уровне центра бака, не превышающего 1,6 бара. В случае, если по проекту в системе необходимо установить большее гидростатическое давление, то для этого, перед монтажом бака, в нем необходимо поднять давление.

 

На практике, некоторое количество теплоносителя в баке, обеспеченное его недокачкой до гидростатического на 1 метр водяного столба, необходимо на тот случай, когда произойдет охлаждение залитого теплоносителя. Так, например, если система заполнялась при температуре воды 20 °С, и котел по каким-либо причинам не был запущен, при охлаждении теплоносителя его объем уменьшится, что может привести к разряжению в верхних точках системы и интенсивному подсосу воздуха через воздухоотводчики.

 

В двух одинаковых системах, различающихся только по типу теплоносителя, расширительный бак большего объема потребуется в той системе, где используется незамерзающий теплоноситель на основе гликоля (этилен- или пропиленгликоля), так как коэффициент расширения у гликолевых растворов несколько выше, чем у воды. Поэтому, при переходе с водяной системы отопления на систему с гликолем, может потребоваться замена бака на больший или установка дополнительного расширительного бака. Сигналом того, что система нуждается в баке большей емкости, служит частое срабатывание предохранительного клапана.

 

Диаметр подводящей линии к мембранному расширительному баку должен быть не мене рассчитанного по следующей формуле:

где:

d ≥ 20√(Q/V_k·c), мм  (4)

 

Q – мощность котла, Вт;

V_k – объем воды в котле, в литрах,

с – теплоемкость теплоносителя Дж/кг · К.

 

Примеры обвязки с мембранным бакам

 

Установка расширительного бака в системе с одним котлом

 

 

Здесь расширительный бак (экспанзомат) расположен на обратном трубопроводе системы, что позволяет эксплуатировать его при меньшей температуре теплоносителя, чем если бы он был установлен на линии подачи. Такое решение позволяет продлить срок службы бака. Подключение мембранного бака на всасывающем патрубке насоса предохраняет насос от кавитации.

 

Установка расширительных баков в системе с несколькими котлами и автоматическим ограничением минимальной температуры воды в обратном трубопроводе

(предусмотрено по одному баку на каждый котел)

 

 

В этой схеме предусмотрено по одному мембранному баку на котел. Емкость каждого из них должна быть не менее расчетной на всю систему, так если по расчету ей необходим бак емкостью 80 литров, то такой должна быть емкость каждого из устанавливаемых емкостей. Это необходимо для того, что при работе на пониженной мощности, когда выключается горелка одного из котлов, происходит отключение и соответствующего циркуляционного насоса, а также закрытие трехходового клапана. При этом циркуляция воды через отключенный котел отсутствует, и расширительный бак, установленный на данном котле, изолируется от остальной системы. Оставшийся в работе мембранный бак должен обеспечить компенсацию расширения теплоносителя во всем объеме системы. Это же положение справедливо и при использовании двухходовых клапанов, выполняющих функцию блокировки котлов.

 

Установка расширительного бака в системе с несколькими котлами и автоматическим ограничением минимальной температуры воды в обратном трубопроводе

(один расширительный бак на всю систему)

 

 

 

Мембранный бак для систем ГВС

 

Основное отличие мембранных баков для водоснабжения заключается в том, что вода в них не должна соприкасаться со стенками корпуса, как это допускается в системах отопления. Поэтому в них всегда применяется мембрана камерного типа в виде резинового мешка. Кроме того, к материалу мембраны баков для водоснабжения предъявляются повышенные требования по допустимости контакта с пищевыми жидкостями.

 

Расчет расширительного бака для ГВС производится по формуле 1. Подсчет объема воды в системе ведется с учетом воды, содержащейся в трубопроводах и водонагревателе или теплообменнике.

 

Конструкция некоторых водонагревателей предусматривает наличие демпфирующей воздушной подушки в замкнутом объеме самого водонагревателя. Объем этой подушки обуславливается высотой расположения выпускной трубы ГВС и также должен учитываться при подборе расширительного бака ГВС.

 

Установка расширительного бака в системе горячего водоснабжения

 

Гидроаккумулятор для систем ХВС

 

Основные функции гидроаккомулятора в системах холодного водоснабжения следующие:

• Снижение количества включений насоса;
• Демпфирование гидроударов и пульсаций воды при работе насоса;
• Поддержание давления в системе в заданном диапазоне;
• Подача воды потребителям в период пиковых нагрузок, которые выше производительности насоса.

 

Принцип работы гидроаккумулятора следующий: при включении насоса вода закачивается в бак до максимально установленного значения, после чего насос отключается благодаря срабатыванию реле давления. В течение периода расхода воды объем воды в баке уменьшается, а, следовательно, падает и давление в баке. После того, как давление упадет до минимально установленного значения насос включается и цикл повторится.

 

Производительность насоса, как правило, подбирается по максимальному требуемому расходу. Если гидроаккумулятор подобран правильно, то можно понизить производительность насоса до среднесуточной часовой производительности. При этом дефицит подаваемой насосом воды в пиковые периоды будет покрываться из гидроаккумулятора.

 

Объем гидроаккумулятора можно рассчитывать по формуле:

 

V_ГА = 16,5 · Qmax · (Р_mах + 1) · (Рmin + 1) / n · (Р_mах – Р_min) · (Р₀ + 1), л  (5) ,

 

где:

Q_max – средний расход насоса, равный расчетному расходу воду в системе, л/мин;

Р_mах – избыточное давление выключения насоса, установленное на реле давления, бар;

Р_min – избыточное давление включение насоса, установленное на реле давления, бар;

Р₀ – избыточное давление предварительной накачки воздушной полости бака, как правило, принимаемое (Pmin – 0,5), бар;

n – максимально допустимое число включений насоса, указываемое в паспорте насоса (обычно n = 12–15), 1/ч.

 

Давайте рассмотрим пример. Допустим, что требуется расчитать объем гидроаккумулятора для системы с расчетным расходом 22 л/мин, при максимальных и минимальных давлениях на реле соответственно 4,5 и 2,5 бара.

 

V_ГА = 16,5 • 22 • (4,5 + 1) • (2,5 + 1) / 15 • (4,5 – 2,5) • (2,0 + 1) = 77,6 л

Согласно российских СНиП 2.04.01-85, объем гидроаккумулятора должен подсчитываться по следующей формуле:

 

V_ГА = Q_hmax / 4n, м3 (6),

 

где:

Q_hmax – номинальная часовая подача насоса, м3/ч, n = 6–10 1/ч.

В этом случае полезный объем воды в полости гидроаккумулятора определяется по формуле:

 

V_в = V_ГА · (Р_mах – Рmin) / (Р_mах + 1), л .(7)

 

Рассмотрим пример, который мы просчитали выше. Необходимо определить объем воды в гидроаккумуляторе при максимальных и минимальных давлениях на реле соответственно 4,5 и 2,5 бара.

 

V_в = 80 · (4,5 – 2,5) / (4,5 + 1) = 29 л

 

Особенности монтажа гидроаккумулятора

 

Для правильной работы, гидроаккумулятор надо снабдить предохранительным клапаном, который должен устанавливаться на подводящем трубопроводе, на расстоянии не более 1 метра от бака. Допускается подключение к верхнему патрубку бака группы безопасности, включающую в себя предохранительный клапан, воздухоотводчик и манометр. При этом диаметр подводки к гидроаккумулятору должен быть не меньше диаметра магистрали, к которой она присоединяется.

 

Требования к мембране гидроаккумулятора по прочности предъявляются гораздо выше, чем для расширительных баков, так как здесь мембрана работает в условиях частых знакопеременных нагрузок. В то же время требования к термической стойкости материала мембраны в гидроаккумуляторах ниже, чем у расширительных баков.

 

Признаком неисправности гидроаккумулятора служат частые включения или выключения насоса. Причиной такой работы является разрыв мембраны или снижение давления воздушной подушки.

 

Установка гидроаккумулятора в системе холодного водоснабжения со скважинным насосом

 

Технические характеристики расширительных баков

 

 

Расширительные баки как для отопления, так и водоснабжения снабжены сменной мембраной камерного типа. Это говорит о том, что в них исключен контакт жидкости со стенками бака. В случае износа или повреждения мембрана может быть заменена.

 

Замена мембран в расширительных баках производится в следующим образом:

• Перекрывается участок системы, на котором находится бак;
• Сливается вода из перекрытого участка;
• Отсоединяется бак от подводящего трубопровода;
• Отсоединяется контрфланец от расширительного бака;
• Через образовавшееся отверстие бака вынимается мембрана;
• Внутренняя полость бака продувается сжатым воздухом;
• Устанавливается новая мембрана.  При необходимости она присыпается тальком. Фартук мембраны должен плотно прилегал к фланцу бака;
• Устанавливается на место и крепится контрфланец;
• Производится подкачка воздуха газовой подушки до расчетного значения;
•  Бак присоединяется к системе.

 

Нормативные требования к расширительным бакам

 

Норматив СП 41-101-95

 

Расширительные баки должны быть цилиндрической формы. Для баков с внутренним диаметром корпуса до 500 мм должны приниматься плоские приварные или эллиптические днища, а при диаметре более 500 мм только эллиптические.

 

Расширительные баки должны быть оборудованы предохранительными клапанами.

 

Предохранительные устройства должны быть рассчитаны и отрегулированы так, чтобы давление в защищенном элементе не превышало расчетное более чем на 10 %, а при расчетном давлении до 0,5 МПа – не более чем на 0,05 МПа. Расчет пропускной способности предохранительных устройств должен производиться согласно ГОСТ 24570.

 

Норматив СП 31-106-2002

 

Для компенсации температурных расширений теплоносителя в независимых системах отопления следует предусматривать расширительные баки.

 

В системе водяного отопления с искусственным побуждением циркуляции теплоносителя могут использоваться открытые или закрытые расширительные баки, располагаемые в помещении теплогенератора. Рекомендуется применять расширительные баки диафрагменного типа с тепловой изоляцией.

 

Требуемая вместимость бака устанавливается в зависимости от объема теплоносителя в системе отопления.

 

Норматив СП 41-104-2000

 

Для приема излишков воды в системе при ее нагревании и для подпитки системы отопления при наличии утечек в автономных котельных рекомендуется предусматривать расширительные баки диафрагменного типа.

 

Норматив СП 41-102-98

 

Не допускается применение металлополимерных труб для расширительного, предохранительного, переливного и сигнального трубопроводов.

 

СНиП 2.04.01-85

 

Водонапорные и гидропневматические баки питьевой воды, а также баки-аккумуляторы необходимо изготовлять из металла с наружной и внутренней антикоррозионной защитой. При этом для внутренней антикоррозионной защиты надо применять материалы, разрешенные Главсанэпиднадзором России. Для баков-аккумуляторов систем горячего водоснабжения тепловую изоляцию следует предусматривать по расчету.

 

Гидропневматические баки должны быть оборудованы подающей, отводящей и спускной трубами, а также предохранительными клапанами, манометром, датчиками уровня и устройствами для пополнения и регулирования запаса воздуха.

 

Запас воды в баках-аккумуляторах, устраиваемых в бытовых зданиях и помещениях промышленных предприятий, следует определять в зависимости от времени их заполнения в течение смены, принимаемого при числе душевых сеток: 10–20 – 2 ч; 21–30 – 3 ч; 31 и более – 4 ч.

 

В следующей статье я расскажу об обратном клапане.

 

РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ: